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그림은 밀폐식 난방 배관 시스템을 보여줍니다. 이러한 시스템에서 펌프는 난방수를 순환시켜 보일러에서 열을 받아 공조기로 전달하는 역할을 합니다. 팽창관은 난방수의 온도 변화에 따른 부피 변화를 흡수하고 시스템의 최소 압력을 유지하여 캐비테이션(Cavitation) 발생을 방지하는 중요한 역할을 합니다.
1) 회로 내 압력분포도 (펌프 정지 및 운전 시)
밀폐식 배관 회로에서 압력 분포는 시스템의 상태(정지 또는 운전)와 배관 내 위치(높이 및 저항)에 따라 달라집니다. 팽창관은 시스템의 기준 압력(정압)을 설정하는 역할을 합니다. 그림에서는 팽창관이 점 E에 연결되어 있습니다.
- 펌프 정지 시 압력 분포:
- 펌프가 정지하면 유체의 흐름이 없습니다. 따라서 마찰 손실 및 기기 저항으로 인한 압력 강하는 발생하지 않습니다.
- 압력은 오직 위치 수두(Hydrostatic Head)에 의해서만 결정됩니다.
- 팽창관이 연결된 점 E의 압력()을 기준으로, 특정 점 X의 압력()은 다음과 같이 계산됩니다. 여기서 는 점 E의 압력, 는 유체 밀도, 는 중력 가속도, 와 는 각각 점 X와 점 E의 높이입니다.
- 즉, 높이가 낮은 지점일수록 압력은 높아지고, 높이가 높은 지점일수록 압력은 낮아집니다. 시스템 전체에 걸쳐 높이에 따라 선형적으로 압력이 변화하는 분포를 보입니다. 최저 압력은 시스템 내 가장 높은 곳에서, 최고 압력은 가장 낮은 곳에서 나타납니다.
- 펌프 운전 시 압력 분포:
- 펌프가 운전되면 유체가 흐르고, 이로 인해 배관 마찰 및 기기(보일러, 공조기 등) 저항에 의한 압력 강하가 발생합니다. 펌프는 이 압력 강하를 극복하기 위해 전양정(Total Head)만큼의 압력을 시스템에 가합니다.
- 압력은 위치 수두 외에 동적인 압력 변화(마찰 손실, 기기 저항, 펌프 양정)의 영향을 받습니다.
- 압력 분포의 특징:
- 펌프 토출측(점 C)에서 가장 높은 압력을 가집니다.
- 유체의 흐름 방향(C → A → I → H → G → F → E → D → C)을 따라 마찰 및 기기 저항에 의해 점진적으로 압력이 감소합니다. 공조기(H-G)와 보일러(E-D) 구간에서 큰 압력 강하가 발생합니다.
- 높이가 높아지는 구간에서는 압력이 감소하고, 높이가 낮아지는 구간에서는 압력이 증가하는 위치 수두의 영향도 동시에 나타납니다.
- 펌프 흡입측(점 D)에서 펌프 토출측(점 C)으로 이동하면서 펌프의 전양정(11.75 mAq)만큼 압력이 급격히 상승합니다. 펌프 흡입측(점 D)은 일반적으로 시스템 내에서 가장 낮은 압력 지점 중 하나가 됩니다 (유체의 흐름에 의한 압력 강하와 위치 수두의 조합에 따라 달라질 수 있으나, 펌프 직전이 가장 낮을 가능성이 높음).
- 팽창관이 연결된 점 E의 압력은 펌프 운전 중에도 시스템의 정압 기준점 역할을 하지만, 유체의 동적인 흐름에 따라 압력 분포 곡선 상에 놓이는 특정 압력 값을 가집니다.
- 압력 분포도 (개념도): (그림으로 표현) 가로축: 배관 경로 상의 위치 (C → A → I → H → G → F → E → D → C), 세로축: 압력 (또는 압력 수두)
- 정지 시: 높이 변화에 따른 선형적인 압력 변화 곡선. 점 E의 높이에서 정압을 기준으로 높이에 따라 압력이 증감하는 형태.
- 운전 시:
- 펌프 토출측 C에서 시작하는 가장 높은 압력.
- C에서 D까지 유체의 흐름 방향으로 압력이 점진적으로 감소하는 곡선. 각 구간의 기울기는 마찰 손실 및 기기 저항, 위치 수두 변화에 따라 달라짐. (예: H-G 구간에서 공조기 저항으로 급격한 압력 강하)
- 점 D에서 펌프를 지나 점 C로 이동하면서 펌프 양정만큼 압력이 급격히 상승하는 수직선 (개념적으로).
- 점 E의 압력은 시스템의 기준 정압과 운전 중 동압의 영향을 받는 값으로 나타남.
- 압력 곡선은 시스템의 최저 압력(펌프 흡입측 D 부근)에서 시작하여 펌프에서 최고 압력(토출측 C)으로 뛰어오른 후, 다시 최저 압력으로 돌아오는 폐곡선 형태를 이룹니다.
2) 팽창관 접속점을 "C"점에 연결할 경우 발생할 수 있는 문제점
팽창관(또는 팽창탱크)의 가장 중요한 역할 중 하나는 시스템의 최소 압력을 유지하여 펌프 흡입측 등 저압부에서 캐비테이션(Cavitation)이 발생하는 것을 방지하는 것입니다. 캐비테이션은 압력이 유체의 포화 증기압 이하로 떨어질 때 유체 내에 기포가 발생하고, 이 기포가 고압부로 이동하여 터지면서 소음, 진동을 유발하고 펌프 및 배관에 손상을 입히는 현상입니다.
팽창관 접속점을 펌프 토출측인 "C"점에 연결할 경우 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있습니다.
- 펌프 흡입측(점 D)의 압력 부족으로 인한 캐비테이션 위험 증가:
- 팽창관은 연결된 지점의 압력을 기준으로 시스템의 압력을 제어합니다. 팽창관을 시스템 내에서 압력이 가장 높은 지점 중 하나인 펌프 토출측(C)에 연결하면, 시스템 전체의 정압 수준이 높게 설정됩니다.
- 하지만 유체의 흐름이 있을 때, 펌프 토출측(C)에서 흡입측(D)까지 나머지 배관 회로(C → A → I → H → G → F → E → D)를 통과하면서 발생하는 압력 강하 및 위치 수두 변화로 인해 펌프 흡입측(D)의 압력은 토출측(C) 압력보다 훨씬 낮아집니다.
- 팽창관이 C에 연결되어 C 지점 압력을 기준으로 정압이 설정되므로, 가장 낮은 압력 지점인 D에서의 정지 시 압력도 불필요하게 낮게 설정될 수 있습니다.
- 펌프 운전 시 D 지점 압력은 정지 시 압력에서 유체의 흐름으로 인한 동적인 압력 강하분만큼 더 낮아지게 됩니다. 만약 D 지점의 압력이 해당 온도에서의 유체(난방수)의 포화 증기압보다 낮아지면 캐비테이션이 발생하게 됩니다.
- 팽창관을 압력이 높은 지점에 연결하면 압력이 낮은 지점, 특히 펌프 흡입측의 압력이 필요 최저 압력(캐비테이션을 방지하기 위한 압력) 이하로 떨어질 위험이 커집니다.
- 시스템 압력 변동성 증대 및 제어 불안정:
- 팽창관은 압력이 안정적인 지점(이상적으로는 펌프 흡입측)에 연결될 때 시스템 전체 압력을 가장 효과적으로 제어할 수 있습니다.
- 압력 변동이 가장 큰 펌프 토출측에 연결하면, 팽창관 자체가 펌프의 동적인 압력 변화에 더 민감하게 반응하게 되어 시스템 압력 제어가 불안정해질 수 있습니다.
결론적으로 팽창관은 시스템 내에서 압력이 가장 낮은 지점인 펌프 흡입측(D) 또는 그 근처(예: 보일러 흡입측인 E)에 연결하는 것이 가장 이상적입니다. 이는 펌프 흡입측에 충분한 최소 정압을 확보하여 캐비테이션 발생 위험을 최소화하고 시스템을 안정적으로 운영하기 위함입니다.
밀폐식 난방 배관 회로 운전 시 주요 지점별 압력
| 위치 | 압력 (mAq) (그래프 근사치) | 비고 |
| A | 약 8.5 | |
| B | 약 8.3 | |
| C | 약 8.1 | 펌프 흡입측 직전 |
| D | 약 19.8 | 펌프 토출측 직후 |
| E | 약 14.7 | 팽창관 연결 지점 부근 |
| F | 약 11.5 | |
| G | 약 10.6 | 공조기 입구 |
| H | 약 6.6 | 공조기 출구 |
| I | 약 6.1 |
참고:
- 위 값은 그래프에서 눈대중으로 읽은 근사치이므로 실제 정확한 압력 값과는 다소 차이가 있을 수 있습니다.
- 그래프 상에서 펌프는 C-D 구간에 있으며, C가 흡입측 직전, D가 토출측 직후의 압력을 나타내는 것으로 해석됩니다 (질문에서 C가 순환펌프 출구라고 했으나, 그래프 형태는 D가 토출측 압력임을 나타냅니다. 그래프를 기준으로 D를 토출측 압력으로 간주했습니다). 펌프에 의해 C에서 D로 가면서 압력이 약 8.1 mAq에서 약 19.8 mAq로 크게 상승하는 것을 볼 수 있습니다.
- 점 E의 압력(약 14.7 mAq)은 팽창관이 연결된 지점으로서 시스템의 기준 압력과 관련이 있습니다.
- 공조기(G-H 구간)에서 약 10.6 mAq에서 약 6.6 mAq로 압력이 약 4 mAq 감소하는 것을 볼 수 있으며, 이는 제시된 공조기 저항 손실 값(4 mAq)과 일치합니다.
- 보일러(E-D 구간) 주변에서 압력이 약 14.7 mAq에서 약 19.8 mAq (펌프 전)로 변화하는데, 이는 제시된 보일러 저항 손실(3 mAq)과 관련이 있습니다. (E에서 D로 가면서 보일러 손실 외에 높이 변화 및 배관 마찰 손실, 그리고 펌프 전후의 압력 변화가 복합적으로 나타납니다).
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